作者：梅增杨  班级：1402019 学号：14020199039

【嵌牛导读】：雷达技术面对的挑战和技术新发展

【嵌牛鼻子】：雷达 挑战 技术发展

【嵌牛提问】：雷达将面对哪些新挑战，又怎样的新发展

【嵌牛正文】：众所周知，雷达是现代战争中发现目标和瞄准攻击的不可或缺的最主要手段。在二战中发挥了重要作用。战后，雷达界的专家总结了涉及雷达技术的几乎全部内容，出版了有28分册的“雷达手册”，雷达界也有相当一部人认为“雷达已经达到了非常成熟的阶段。”然而，近二十多年来世界上发生多次局部高技术战争，使我们更清楚地认识到：雷达观察的目标发生了重大变化，雷达工作的电磁环境严重恶化，并对雷达的发展产生了巨大的影响。随着微波、计算机、半导体技术和大规模集成电路技术的迅速发展，也使雷达技术发生了革命性跃进。

一、使用环境的新挑战

在过去的几次局部高技术战争中，美国等西方国家在一开始就使用了大量的超低空飞行的巡航导弹和雷达截面积很小的隐形飞机，给对方的防空设施进行精确打击和几乎彻底的摧毁。超低空飞行的巡航导弹雷达截面积RCS小，地面雷达因为有观察死角很难远距离发现并及早预警；又因为有很强的地面杂波背景和相对地面车辆高得多的飞行速度，使得空中老式靠机械转动扫描的雷达也很难发现并进行有效的跟踪预警。

表1、各国三四代战机雷达截面积RCS比较

图1、美F-22四代机（可在400km发现像F-16的目标）

图2、去年首飞成功的美舰载隐形无人作战飞机X-47B

美国的第四代空中优势F-22猛禽战斗机，是根据美国空军“全球到达，全球力量”的战略思想设计的，要求它能在未来空空、空地战场威胁环境中夺取空中优势，确保美军能同时打赢两场大规模局部战争。美国空军希望凭借少量的先进的F-22抗击大量技术相对落后的敌机，取得制空权。美国称其为制空（Air

Dominance）战机。F-22的正面雷达反射截面积仅为0.0065平方米，比一般的像F-15C/Su27第三代战斗机的正面雷达反射截面积小1000倍，生存能力比目前的常规飞机提高18倍，作战效能是F-15战斗机的3倍。2011年2月美国的隐形舰载无人战斗机X-47B首飞成功，它能在空中持续飞行30个小时，作战半径超过一千公里。

根据英国的计算机仿真和美国的实战对抗演习，F -22可以在400km之外发现像Su27这样的三代机，在对方毫不知情的情况下发起“首先发现，首先射杀”的超视距攻击。这些低截获概率LPI隐形目标的出现也给雷达提出了极大的挑战。

表2、F/A-22与第三代战机对抗仿真及实战演习结果

除了雷达截面积很小截获概率很低的隐形目标外，雷达的使用环境严重恶化，战场上会遇到很强的电磁干扰。特别是去年的利比亚战争中，美国派出了它们最先进的

“咆哮者”电子战攻击机EA-18G，它大显身手，实施了强大的有针对性的全频谱干扰，让利比亚的雷达全部成了瞎子，雷达、电子设备全部失灵，地面导弹毫无还手之力，成为名副其实的靶子！

图3、美国新研发并投入现役、装有能精确瞄准定位全频谱干扰的EA-18G“咆哮者”电子战飞机

新的超低空高速飞行带有强地杂波背景的巡航导弹和雷达截面积很小的低截获概率LPI的隐形目标，以及日益恶化的强电子干扰的作战环境，使老式的机械扫描MSA雷达无法满足这些作战使用要求，并将在不久的将来逐步退出历史舞台。

二、未来雷达的发展趋势——有源电扫相控阵AESA雷达

从上面的雷达要探测的目标和作战环境的变化来看，要求未来的雷达必须具有很强的电子对抗能力，在恶劣的电磁干扰环境仍然能正常工作（图4）；对于机载雷达要求对空和对地都能工作，并能在大空域搜索的同时对多个目标进行有效跟踪；要求雷达能多任务、多功能（合成孔径成像SAR,

逆合成孔径成型ISAR, 地面动目标GMTI, 空中动目标AMTI,

高分辨率，低截获LPI目标探测，火控，敌我识别，电子对抗支持等）（图5）。老式机械扫描MSA雷达很难满足这些苛刻的使用要求，并将不久的将来逐步被边缘化。

图4、有源相控阵AESA天线的自适应波束置零的功能可以有效对抗人为的干扰。并且已经由英法德三国的AMSAR AESA样机得到了验证。

图5、新一代的全球鹰能对空对地同时工作；搜索的同时跟踪多目标；多功能：SAR/ISAR/GMTI/AMTI;高分辨率；支持电子对抗和敌我识别等。

美国雷神公司最早装备F-15C的APG-79有源电扫相控阵AESA雷达已经工作了5年多超过15,000小时仍然没有出现故障；该公司声称在10~20年内基本上不需要维修。著名的生产F-22相控阵雷达APG-77的若斯洛普-格鲁曼航电开发部主任也说：“APG-77的雷达天线罩可以密封起来！”这些已经投入使用的AESA雷达实际运行也充分证明了AESA的高可靠性能。而相比之下，老式的机械扫描雷达MSA和集中发射的无源相控阵ESA雷达也因高压密封充气馈电、平台机械扫描转动的磨损等故障多发因素，平均无故障时间MTBF只有60~300小时。实践已经证明AESA与老式的MSA和ESA相比，可靠性具有明显的优势。

老式的无源相控阵ESA的移相调整发射时是在高功率电平移相衰减后在发射出去，除影响雷达的探测距离外，移相器产生的热量的散热设计也成了一个大问题；在接收时，微弱的回波信号是首先经过移相衰减，使得雷达接收机的灵敏度大大降低，对雷达的性能产生不利影响。而有源电扫相控阵AESA的移相调整在发射时是在低功率电平移相，然后在经过功率放大后直接发射出去，对雷达的性能影响不大；接收时，微弱的回波信号是首先进入低噪声放大器进行放大后，才由移相器移相，对接收机的灵敏度几乎没有什么影响（图6）。所以从雷达系统能量的运用上AESA也具有它固有的优势。

图6、AESA与ESA比较

综上所述，就AESA来说，无论从理论上还是实践上，美国防部2001年3月的专家组报告得出的结论是：“经过上世纪九十年代美国防部DARPA项目的支持，X波段有源电扫相控阵AESA的技术已经相当成熟了。AESA能使雷达的基本能力提高10~30倍，并有高的距离分辨率、抗干扰能力和波束捷变灵活的极大好处。新的设计简化了制造，并支持高可靠和低维护成本的目标，这样就使服务期的费用更低。美国防部专家任务组极其深刻地感受到这些进步，得出结论：未来美国不可能再采购任何不采用有源电扫相控阵技术AESA的机载（甚至地面、舰船）雷达系统。”法德意大利等国的雷达界也认为下一代的陆地、舰船、空中和空间的雷达几乎全部是有源相控阵AESA雷达系统；这已成了国际上雷达界的共识。

三、有源电扫相控阵AESA雷达的关键——T/R组件

有源相控阵AESA雷达是下一代先进的多功能雷达的必然发展趋势已成为世界上雷达界的一致看法。在半导体、微波单片集成电路MMIC、专用集成电路ASIC、新材料、三维立体集成和包装技术迅速发展的推动下，AESA经过二十多年的发展，在重量和体积大大减小的同时，性能得到了显著提高，成本也在不断下降，为有源相控阵AESA的在各领域的广泛应用创造了条件，AESA的前景光辉灿烂。

有源相控阵AESA雷达使用大量的T/R组件；像美国的F-15战斗机的APG-79就需要1500个T/R组件；F-22的APG-77需要1500~1800个T/R组件；全球鹰RQ-4每部需要2000个T/R组件；E-10A每部就需要高达13500个T/R组件；更有甚者，像美国的平流层飞艇ISIS的最终系统OS的X波段雷达就有20,300,000个T/R通道。因此，T/R组件及其相应的MMIC核心元件就成了有源相控阵AESA雷达的关键，常常受到出口限制，所以各国的相关公司都投入了大量的人力物力，独立研发自己的T/R组件。T/R组件的性能、重量、尺寸和成本就成了整个AESA系统的重要考虑因素。

有源相控阵AESA经历了从分离元件的砖块式T/R组件；到体积小薄而轻集成度刚高的瓦片式T/R组件。由每个T/R通道要用7~11个（移相器，衰减器，放大器，开关，控制电路和供电电源）MMIC芯片；到只用2~3个MMIC芯片；其中的多功能核心（Multifunction,

or core chip）芯片更是把移相器，衰减器，放大器，预功放推动级，开关和控制电路等都集成在一个只有大约4

？4~5mm2芯片上。用标准的Si工艺和最便宜的Si做衬底，同时把微波/射频模拟电路的SiGe BiCMOS和控制开关的数字电路的Si

CMOS混合集成到单一芯片上，使得现在整个T/R组件，不但使电路芯片的面积减少，还节省了采用多个MMIC芯片时的大量手工微组装操作，从而使总的成本大大降低。

图7、T/R组件从最初的“砖块式”到“瓦片式”的进展

图8、德国EADS的瓦片式T/R组件：顶层③包括LNA，限幅器和环形器，以及贴片式天线(LTCC)；中间层②包括移相器、衰减器、放大器、开关、数字控制ASIC电路等(LTCC);底层①是末级功率放大器(HTCC)。尺寸：15mm？15mm？8mm,重<4g,

Po=4W, NF=3.5dB

标准的Si

IC工艺能把RF/微波模拟电路的SiGe BiCMOS和数字控制电路的Si

CMOS集成在单个芯片上，并做出适合于低功率密度应用的单片雷达（Radar on

chip）。虽然SiGe的输出功率和噪声性能不如GaAs和宽禁带半导体GaN, SiC,

它的成本优势明显，可以低成本高成品率的大批量生产，同时，又与未来的数字化雷达所需要的高速ADC和DAC，以及高速FPGA工艺相匹配，所以SiGeBiCMOS和Si

CMOS将会成为未来AESA的后端的重要选项；未来大功率开关还可能省掉笨重的铁氧体环形器，从而使T/R组件的体积、重量和成本大大降低。美国将要在2013年进行飞行试验平流层飞艇的样机DS的X波段AESA的T/R组件使用SiGe

BiCMOS工艺使每个通道的成本已经接近$10，使成本大大减低，为AESA的广泛应用创造了条件。

四、应用前景

从雷达的发展来看，未来的先进的多功能多任务地面、海上、空中和空间的军用和民用，如繁忙的国际大机场的控管调度雷达，基本上都是有源电扫相控阵AESA雷达。并且关键的T/R组件用量巨大，如美国的ISIS平流层传感器系统的最终系统的X波段雷达就需要20,300,000（2030万）个T/R通道，一个这样的系统所需要的T/R组件，按每小时生产1万，每周40个小时计算，就需要整整一年的时间才能生产出一套这样的系统所需要的T/R组件。一个美国将要部署到日本的X波段远程警戒了多达有3~4个阵面，每个阵面按5m×5m计算，需要大约11万个T/R组件，4个阵面就需要大约45万个T/R组件。另外，未来的卫星通讯系统人到人的视频通讯，就需要占用很宽的频带和很大的容量，人到人的通讯需要大量灵活多变的直接辐射波束，这也需要大量的T/R组件；所以未来的卫星通讯和雷达对T/R组件的需求量是十分巨大的，有着广泛的应用前景。

另外从西方先进国家的AESA的发展来看，使用多个昂贵的GaAs

MMIC，花大量手工操作制成的

“砖块式”T/R组件，到现在可以用标准的Si半导体集成电路工艺成品率很高和集成度更高的大批量生产，使得每个T/R组件只需要2~3片MMIC，省掉了大量的手工操作，从而使AESA的成本大大降低，使得AESA不再是昂贵用不起的系统。并且，如果我们能够借鉴西方先进国家的经验，在国内现在已经掌握并成熟应用的标准Si半导体集成电路工艺的基础上，增加个别应变Si工艺设备，就可以走出一条多快好省的捷径，使我们的军用民用了的雷达和通讯迎头赶上世界的先进水平，促进国防的现代化，为保卫国家的领土完整做出贡献。

综上所述，AESA是未来雷达和通讯的发展的重要使能技术，具有广泛的应用前景；其间的关键T/R组件包含有多项国内尚未突破高技术难题，复应综合科学院国家队的研究方向力量；，一旦把这些关键技术难题突破，把科研成果转化为生产力，就可以对我国的军用和民用雷达和通讯系统产生重大影响和促进，产生巨大的社会和经济效益。

五、结束语

未来强电子干扰的恶劣电磁环境，以及严重地面、海杂波背景下的高速、隐形目标(巡航导弹)和伪装、隐蔽、欺骗CCD目标的发现、识别和确认，使原来的集中发射机械扫描雷达难以适应这些新的作战要求，并将逐渐被边沿化。

有源电扫相控阵AESA雷达经过近二十年的发展，特别是MMIC等半导体、新材料和三维立体集成、包装技术的迅速进展，使AESA已经相当成熟；成本也在不断下降，为AESA的广泛使用创造了条件。AESA的波束灵活捷变，多功能、多任务、高可靠和低的全寿命周期维护成本，系统能量运用合理，瓦片式TR适合未来共形隐身的设计要求等，使得AESA成为未来地面、海上、空中和空间雷达的主流已成世界雷达界的共识。AESA将成为下一代先进的多功能多任务雷达发展的必然趋势。

对我国来说，迫切需要解决AESA中的关键——T/R组件，特别是瓦片式T/R组件及其多功能核心MMIC芯片等关键问题。这里有许多国际上顶尖的高新技术的难题，我们应当抓住机会，不断创新，在此领域为国家做出重大贡献！

本文来自中国科学院电子学研究所荆麟角老师在中国科学院科学技术前沿沙龙《微波遥感技术的最新发展》上所做特邀报告。荆麟角老师简介:男，1941年生，中国科学院电子学研究所研究员，主要从事微波遥感技术、合成孔径雷达成像系统方面的研究。